Bài giảng Cảm biến sinh học

8. Cảm biến sinh học Khái niệm Theo IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) thì: “Cảm biến sinh học (biosensor) là một thiết bị tích hợp có khả năng cung cấp thông tin phân tích định lượng hoặc bán định lượng đặc trưng, bao gồm phần tử nhận biết sinh học (bioreceptor) kết hợp trực tiếp với một phần tử chuyển đổi ” Cảm biến sinh học là thiết bị sử dụng các tác nhân sinh học như enzym, các kháng thể, ... để phát hiện, đo đạc hoặc phân tích hoá chất . Do vậy cấu tạo của cảm biến sinh học bao gồm 3 thành phần cơ bản: thành phần hoá học, thành phần sinh học và thành phần vật lý. Cảm biến sinh học theo mô hình của D.Clark Cảm biến sinh học theo mô hình của D.Clark bao gồm điện cực oxy hóa, trên đó có màng giữ enzyme glucose (glucose oxidase). Khi mật độ glucose trong môi trường phản ứng giảm thì mật độ chất oxi hóa trên bề mặt điện cực cũng giảm một cách tương ứng. Dựa trên sự thay đổi đó, Clark đã phát hiện ra sự thay đổi của nồng độ glucose trong môi trường cần kiểm tra. Đầu thu làm từ các kháng thể/kháng nguyên Đầu thu làm từ protein Đầu thu làm từ các axit nucleic Đầu thu kết hợp Đầu thu làm từ tế bào Đầu tụ sinh học: là những đầu thu phản ứng trực tiếp với các tác nhân cần phát hiện và có nguồn gốc từ các thành phần sinh học Đầu thu làm từ enzyme Tác nhân cố địnhCác tác nhân cố định là một phần rất quan trọng trong cảm biến sinh học. Các tác nhân này có nhiệm vụ gắn kết các đầu thu sinh học lên trên đế. Nói một cách khác đây là bộ phận trung gian có tác dụng liên kết các thành phần sinh học (có nguồn gốc từ cơ thể sống) với thành phần vô cơ.  www.themegallery.com Company Logo Bộ phận chuyển đổi tín hiệu Chuyển đổi khối Chuyển đổi nhiệt Bộ phận xử lý, đọc tín hiệu ra Bộ phận này có tác dụng chuyển thành các tín hiệu điện để máy tính và các thiết bị khác có thể xử lý. Tác nhân cần phát hiện được phân loại theo cấu tạo như sau b) Những đặc trưng cần chú ý khi sử dụng máy cảm ứng. Tính lựa chọn cao : do Enzyme có tính đặc hiệu đối với cơ chất, sản phẩm, chất kìm hãm…, cần lựa chọn máy sao cho phù hợp với các tham số hóa lý + Độ nhạy: phụ thuộc vào kiểu detector để phát hiện vùng nồng độ cơ chất cho kết quả chính xác nhất + Độ bền: bền với các tác nhân vật lý và hóa học Khi sử dụng, thành phần sinh học dễ bị thoát ra khỏi thiết bị, có khi chỉ sau vài phút, trong khi yêu cầu sử dụng cao hơn ( vài ngày hoặc vài tuần) Khó bảo quản, dễ bị hỏng, ngay cả không dùng và bảo quản trong tủ lạnh  Cần tìm những phương pháp thích hợp để cố định Enzyme bền lâu hơn trong biosensor và tăng độ bền của E để giữ được hoạt độ của E trong quá trình bảo quản và sử dụng. 3. Biosensor điện cực Enzyme (điện cực E không tan) Nguyên tắc cấu tạo và hoạt động Thành phần cấu tạo của điện cực này chính là Enzyme được cố định trên bề mặt của điện cực, đáp ứng với nồng độ của một trong các cơ chất hoặc các sản phẩm của phản ứng do enzyme xúc tác. Enzyme có thể là một lớp gel mỏng bao quanh cảm biến điện hoặc tiếp xúc với cảm biến này nhờ màng thấm chọn lọc. Cơ chất đi qua lớp gel hay màng chọn lọc, tiếp xúc với E và chuyển hóa thành sản phẩm. Ví dụ : Phản ứng oxy hóa khử các chất do oxidoreductase xúc tác, các điện tử của phản ứng được vận chuyển từ chất phản ứng đến điện cực, tạo ra tín hiệu điện. Tín hiệu điện có thể được phát hiện bằng cách đo dòng điện hoặc đo điện thế Sơ đồ cấu tạo của điện cực Enzyme không tan Màng thấm khí Màng enzyme Màng bán thấm Cảm biến điện hóa Để vận chuyển điện tử một cách thuận lợi thì người ta dùng chất trung gian bao ngoài điện cực. Đó là các kim loại hữu cơ, thường là ferrocenes AMP: Cảm biến do sự sai khác dòng điện nhờ điện thế đặt giữa phần nhạy cảm của điện cực thí nghiệm và điện cực so sánh. ở điện thế đặt vào, một phân tử trong phản ứng E có thể chuyển đổi điện tử với bề mặt điện cực. Dòng điện đi qua cực phản ánh nồng độ của phân tử này, sự thay đổi dòng điện tỉ lệ với nồng độ cơ chất Phát hiện tín hiệu điện PMB: Đo sự sai khác điện thế giữa dung dịch mẫu trong lớp gel và dung dịch bên trong điện cực. Điện thế tỉ lệ với logarithm của nồng độ chất phân tích. PMB là điện cực chọn lọc ion kết hợp với điện cực so sánh thích hợp, kiểm tra nồng độ NH4+ , CN- , S- . Điện cực chọn lọc ion được dùng phổ biến nhất là điện cực nhạy với H+ , được sử dụng để đo pH. www.themegallery.com Một số phương pháp chuẩn bị điện cực E Một số ví dụ về ứng dụng điện cực E để phân tích các chất Điện cực E được dùng để xác định nồng đọ nhiều chất khác nhau như:glucose,1 số acid hữu cơ(acid acetic, acid pyruvic, acid lactic, acid formic…), aminoacid, các lipid, penecilin, alchol… Trong số các biosensor ứng dụng trong lâm sàng thì glucose biosensor được ứng dụng rộng rãi nhất để xác định lượng đường glucose trong máu. Xác định glucose, dùng glucose biosensor Hicks và Updike(1967) đã cố định glucose oxidase (GOD) trong gel polyacrylamide tạo thành màng mỏng bao quanh điện cực oxygen, tạo được thiết bị để phân tích D-glucose nhạy, đặc hiệu và thuận tiện. Glucose + O2 Acid gluconic + H2O2 H2O2 O2 + 2H+ + 2e- Dòng điện đo được tỉ lệ với lượng H2O2 bbij oxy hóa, do đó tỉ lệ với nồng độ glucose trong dung dịch. Glucose oxydase là một flavoenzyme (có CoE là FAD), khi oxy hóa glucose thành acid gluconic, coenzyme FAD của nó bị khử thành FADH2, có thể sử dụng chất trung gian(như ferrycianide) thay cho oxygen để oxy hóa FADH2 giả phóng 2H+ và 2e-. Xác định urea trong máu hoặc trong nước tiểu NH2CONH2 + 2H2O + H+ HCO3- + 2(NH4+) Dùng điện cực lựa chọn ammonium sẽ phát hiện được ammonium. Loại điện cực này gọi là enzyme FET (EnzFET,or EFNET = enzyme linked efect transitor). Sodium và potassium cản trở việc đo ion ammonium, vì vậy dùng các điện cực chọn lọc khí đo hiệu điện thế để phát hiện ammonium tạo thành sẽ tốt hơn. Điện cưc này có độ nhạy trong khoảng (1µM – 30mM). NH4+ NH3 + H+ Cũng có thể xác định urea bằng điện cực được bao ngoài bởi urea không tan. Xác định ethanol và ancohol bậc một khác: Dùng alcohol oxidase( AO, E.C.1.1.3.13) cố định trên điện cực, phản ứng sử dụng O2 và tạo H2O2: Alcohol bậc 1 +O2 andehyde+H2O2 CH3CH2OH+O2 CH3CHO + H2O2 (ethanol) (acetandehyde) Dùng điện cực đo biến đổi dòng điện(AMB) để xác định oxigen được sử dụng hoặc H2O2 được tạo thành. Độ nhạy khoảng ( 0,4- 50mg/ 100ml) Sử dụng điện cực E để xác định các chất khác cũng có độ nhạy khá cao Chất cần phân tích (E) không tan trong điện cực Độ nhạy Acid acetic(H.thanh) Lactate dehydrogenase 1µM-5mM Acid uric Uricase 10µM-100mM Acid oxalic(Nước tiểu) oxalate decarboxylase (hoặc oxalate oxidase) 0,2 -10mM Creatinine(H.thanh) Creatinine deiminase 1-100mg/100ml Cholesterol(H.tương) Cholesterol oxidase 1µM-8mM Acid ascorbic(dịch quả) ascobate oxidase 4µM-0,7mM Acetylcholine acetylcholine oxidase 1µM-10µM Việc phát triển nghiên cứu, ứng dụng enzyme không tan còn liên quan đến phát triển các “biochip”, cố định hoặc xây dựng các phân tử sinh học ( DNA, Protein/enzyme) trên các “chíp” rất bé để dùng trong nhiều ngành công nghệ tiên tiến. Tóm lại, có thể thấy E đã được ứng dụng và còn có tiềm năng ứng dụng lớn trong các lĩnh vực khác nhau :y tế, công nghệ môi trường… và các ngành kinh tế khác quan trọng. Một số thành tựu trong việc ứng dụng của cảm biến sinh học Ứng dụng trong lĩnh vực y tế và chăm sóc sức khoẻ: Đây là lĩnh vực có nhiều cải tiến cũng như nhiều ứng dụng nhất. Có rất nhiều loại cảm biến như cảm biến đo nồng độ oxi, lượng glucose trong máu, cảm biến huyết áp … Cảm biến đo nồng độ oxy (Sensor Sp02) (579) Máy đo lượng glucose trong máu Máy đo huyết áp cảm biến Beurer BM58 Ứng dụng trong công nghệ môi trường: Đó là các cảm biến dạng “mũi điện tử” xác định một hoá chất độc hại nào đó hoặc xác định độ ô nhiễm của môi trường như cảm biến xác định nồng độ khí độc (CO2, H2S), xác định dư lượng thuốc trừ sâu, xác định nồng độ của các kim loại nặng, ... Ứng dụng trong các tương tác Người – Máy: Đây cũng là một lĩnh vực mới mẻ có nhiều nghiên cứu, ứng dụng. Có thể kể ra một số cảm biến dạng này như cảm biến nhận dạng tiếng nói, hình ảnh, nhận dạng các đặc trưng sinh học của con người. Đây cũng là lĩnh vực hứa hẹn có nhiều nghiên cứu, ứng dụng mới. Máy cảm biến nhận dạng khuôn mặt của NEC Ứng dụng trong việc điều khiển, quản lý các quá trình trong công nghệ sinh học: Ngày nay, khi công nghệ sinh học phát triển, đồng thời với việc các chế phẩm sinh học được sản xuất rộng rãi trên qui mô công nghiệp, cũng như tham gia ngày càng nhiều vào các quá trình sản xuất khác thì một nhu cầu tất yếu nảy sinh, đó là việc theo dõi, quản lý, điều khiển các quá trình sinh học như điều chỉnh lượng glucose trong quá trình nuôi vi khuẩn..v.v.... Các cảm biến sinh học đã tỏ ra có nhiều ưu điểm so với các phương pháp truyền thống như tính chọn lọc cao, đáp ứng nhanh, đơn giản và chính xác.